1、振動成型設計方法介紹（文件編號：FJ001）天津市市政工程研究院2010年4月半剛性基層材料振動成型設計方法介紹1半剛性基層材料設計現(xiàn)狀幾十年來，半剛性基層材料的應用及研究雖然取得了豐碩的成果，但遠未達到完善的程度。半剛性基層瀝青路面路用性能并不是都獲得了預期的效果，工程實踐中出現(xiàn)的問題主要表現(xiàn)為存在收縮裂縫，當有水滲入后可能出現(xiàn)唧漿現(xiàn)象；當結(jié)構(gòu)組合設計不合理或半剛性基層自身存在質(zhì)量問題時，往往會發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。這些問題的存在與當前半剛性基層材料設計方法和評價標準落后于當前技術(shù)發(fā)展水平息息相關(guān)。 室內(nèi)成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不匹配眾所周知，室內(nèi)試驗要準確、有效地預測與控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，應滿足兩個

2、最基本的條件，首先要求試件成型方式能夠最大限度地模擬基層施工條件，使室內(nèi)成果與基層實際應用效果有可比性；其次要求各種性能評價指標切實反映基層在其服務環(huán)境下的服務質(zhì)量。如今施工現(xiàn)場大量使用振動壓路機及輪胎壓路機，而室內(nèi)卻采用重型擊實法確定最佳含水量及最大干密度，用靜壓法試件強度作為設計標準控制水泥劑量。由此衍生出一系列問題：重型擊實法確定的最佳含水量及最大干密度作為現(xiàn)場振動壓實度的控制指標是否合適；混合料分別在靜壓與振動作用下其力學特性或許不同，那么用何種成型方式制作的試件，其強度控制現(xiàn)場質(zhì)量更有效；用靜壓法進行室內(nèi)研究所優(yōu)化的配合比（包括級配、水泥含量等）在振動壓實條件下路用性能是否最優(yōu)。1.

3、2 半剛性材料質(zhì)量控制指標單一現(xiàn)行規(guī)范公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范（JTJ 034-2000）對混合料路用性能要求相對簡單。除原材料性質(zhì)外，對混合料只要求7天齡期的飽水無側(cè)限抗壓強度達到要求即可，而對混合料抗裂能力既無標準試驗方法，也沒有評價指標，這就使得設計或施工時只注重提高強度，甚至有可能導致強度過大；至于由此造成的許多負面影響（剛度過大、抗裂能力差等）卻很少引起重視。1.3 現(xiàn)場壓實標準偏低壓實度達到較高標準對半剛性材料強度、抗裂能力及抗疲勞能力的提高均有顯著作用。壓實度的增加可以大幅度提高半剛性材料強度，與此相適應，在較低的膠結(jié)料劑量下即可滿足強度要求，而膠結(jié)料劑量的降低則可以顯著提高半剛

4、性材料的抗裂能力；另一方面，壓實度的提高可以大大減少半剛性材料的微裂隙，從而提高其抗疲勞能力。因此，適當提高壓實度標準，能夠使半剛性材料在強度滿足要求的前提下具有較好的抗裂能力及抗疲勞能力。目前，壓實度標準的適當提高有堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，與20年前的壓實施工機械相比，如今的施工壓實設備在性能及壓實功能上有質(zhì)的飛躍。而20年前的壓實控制標準為室內(nèi)重型擊實法確定的最大干密度，因此有理由認為用性能大幅度提高的壓實設備應該鋪筑出壓實度更高的、質(zhì)量更好的基層。但如室內(nèi)成型條件不加改變，還沿用重型擊實法，只能導致現(xiàn)今的筑路機械修筑出與以前相差無幾的半剛性基層，更嚴重的是，室內(nèi)試驗標準已嚴重阻礙了科技進步及生產(chǎn)

5、的發(fā)展，使得承包商對使用新工藝、新設備沒有積極性。現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的級配范圍太寬，難以保證工程質(zhì)量現(xiàn)行規(guī)范公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范（JTJ 034-2000）規(guī)定的混合料級配范圍太寬。在此范圍內(nèi)，不同級配的混合料其力學性能有很大差異，因此，不同級配半剛性材料的各種力學指標即使全部滿足規(guī)范要求，也很難說這些混合料具有良好的抗裂能力。正是由于以上原因，導致了對半剛性基層認識上的一些偏差，比如，工程技術(shù)人員對半剛性基層在瀝青面層鋪筑前大量出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象（不正常）已司空見慣；水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的水泥劑量應達到56以上（過高）幾乎成為共識；施工后的水泥碎石基層表觀密實、特別是光滑（級配不良）事實上已成為水

6、泥穩(wěn)定級配碎石基層質(zhì)量控制的重要標準；工程中為達到設計強度指標及保證路面芯樣完整，提高水泥劑量（非唯一方式）幾乎成為最有效的手段；現(xiàn)場芯樣無側(cè)限抗壓強度往往遠大于室內(nèi)靜壓法成型試件強度的原因（室內(nèi)成型方式與現(xiàn)場不匹配）很少被考慮；現(xiàn)有壓實設備下，無需對施工工藝嚴格控制也能達到較高的壓實度（壓實度超百現(xiàn)象普遍存在，其實質(zhì)是重型擊實法確定的壓實度標準偏低）已被接受，但正是在壓實度容易達到的情況下，基層的壓實反而被忽視：某高速公路6的水泥劑量的水泥碎石基層一個月后仍不能取出完整芯樣，實測其壓實度僅92；山西晉陽高速公路通車不到一年時間就出現(xiàn)了嚴重的早期破壞現(xiàn)象，水泥穩(wěn)定級配碎石基層檢測結(jié)果表明，壓實

7、度大于97的僅占20，芯樣完整的鉆芯卻占總數(shù)的52，且強度較高，在如此之低的壓實度下仍能取出完整芯樣，可見水泥劑量之高。如上所述，半剛性材料出現(xiàn)早期破壞與室內(nèi)成型方式的不合理及標準單一導致結(jié)合料劑量過高、壓實度標準偏低、級配不良等有密切關(guān)系。因此為進一步提高路用性能，現(xiàn)實的措施是在合理的級配范圍內(nèi)，適當降低結(jié)合料劑量、提高壓實度標準。但最佳級配范圍如何確定，結(jié)合料劑量降低多少，壓實度標準提高到什么程度，卻需要以科學的方法去開發(fā)能夠模擬現(xiàn)場壓實工況的室內(nèi)試件成型方式并提出切實可行的施工控制標準。因此，半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)早期破壞現(xiàn)象并不表明半剛性基層瀝青路面路用性能差，更不等于半剛性基層瀝青路

8、面不適宜作高等級路面的結(jié)構(gòu)，只是工程實踐中出現(xiàn)的一些問題反映出目前采用的材料設計、評價指標及試驗方法等方面尚需進一步研究并改進。2 振動成型設備基本原理以高標準進行路基路面的壓實是保證路基路面具有較高的強度和穩(wěn)定性的經(jīng)濟有效的技術(shù)措施。常用的壓實機械是壓路機，壓路機可分為振動壓路機和靜力壓路機。振動壓路機在壓實機械的發(fā)展史上是一項突破性的科技進步，從此壓實效果的提高不再是依靠壓實機械的自重來實現(xiàn)。振動壓路機自20世紀30年代問世以來，得到了迅速的推廣和應用，在20世紀60年代占領(lǐng)了世界壓實機械市場，成為壓實機械領(lǐng)域的主導產(chǎn)品。為適應交通事業(yè)迅速發(fā)展的需要，我國壓路機行業(yè)也得到了大力的發(fā)展。八十

9、年代以前我國主要以生產(chǎn)靜力壓路機為主，八十年代后期至現(xiàn)在，振動壓路機已是筑路工程必備的壓實設備。振動壓實之所以得到如此長足的發(fā)展，是由于靜力壓路機與振動壓路機相比壓實能力有很大的局限性，壓實厚度受到限制，而且光面靜力壓路機在壓實作業(yè)中容易產(chǎn)生虛壓現(xiàn)象。而振動壓路機壓實效果好，影響深度大，生產(chǎn)效率高，且適用對象廣。我國公路、建筑部門室內(nèi)常用的確定材料最佳含水量及最大干密度的方法是擊實法，相應測定材料的技術(shù)指標的試件成型方式是靜力壓實方式。擊實方法在室內(nèi)通過施加沖擊荷載對被壓材料進行壓實，與現(xiàn)場夯實過程一致，與現(xiàn)場靜力壓路機的作用過程雖不盡相同，但就通過對材料產(chǎn)生剪應力使之壓實這一效果來說是相似的

10、。但與振動壓實通過高頻振動作用使材料產(chǎn)生液化來壓密的過程是完全不同的。靜力壓實成型試件的方法和靜力壓路機滾壓的機理是相同的，但是和振動壓路機的振動壓實機理則不同。室內(nèi)試驗作為現(xiàn)場施工質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，應當力求使室內(nèi)試驗真正模擬現(xiàn)場的施工壓實工藝。擊實試驗用來確定現(xiàn)場材料密實度的標準值，在國內(nèi)外已有成功的經(jīng)驗，具有較為廣泛的應用基礎(chǔ)和適用性，但若用此方法研究目前廣泛在路基路面施工壓實過程中應用的振動壓實工藝效果顯然很牽強。而且振動壓實機理與靜力壓實機理不同，形成的被壓材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有所差別。雖然靜力壓實試件的試驗方法簡單、易于操作且應用廣泛，但室內(nèi)測定的材料的技術(shù)指標和現(xiàn)場振動壓實下所實現(xiàn)的材料的

11、技術(shù)指標是有所不同的。由此衍生出一系列問題：重型擊實法確定的最佳含水量及最大干密度作為控制施工質(zhì)量的技術(shù)指標是否合適；以靜壓法或振動法成型的試件其物理力學性質(zhì)或許不同，那么用何種成型方式制作的試件強度控制現(xiàn)場質(zhì)量更有效；用靜壓法進行室內(nèi)研究所優(yōu)化的配合比（包括級配、水泥劑量等）在振動壓實條件下路用性能是否最優(yōu)。因此有必要使用新的室內(nèi)壓實試驗方法。為模擬振動壓實對材料的作用，采用自上而下振動的振動成型壓實機。研究使用該成型機進行振動壓實試驗，確定材料的最佳含水量、最大干密度及振動成型試件測定無側(cè)限抗壓強度。2.1 振動成型壓實機械的數(shù)學模型振動壓實機械作為室內(nèi)試驗設備，不可能在機械組成上完全模擬

12、振動壓路機，但必須使其壓實效果能與現(xiàn)場壓路機的現(xiàn)場壓實效果等效。為了使振動成型壓實機能模擬施工現(xiàn)場振動壓實效果，振動成型壓實機的“振動成型壓實機被壓材料”的動態(tài)響應必須和“振動壓路機被壓材料”的動態(tài)響應模型基本相同。壓實過程是壓路機和被壓材料發(fā)生復雜的相互動態(tài)作用的過程，因而對壓路機的特性研究不能脫離被壓實材料，應將振動壓路機和被壓材料作為一個閉環(huán)系統(tǒng)來考慮。對振動壓路機的具體數(shù)學模型，1977年，美國學者E.T.seling和T.Syoo進行了較系統(tǒng)的研究，在完全彈性理論的基礎(chǔ)上建立了“振動壓路機被壓材料”系統(tǒng)兩個自由度的動力學模型。對振動壓路機的壓實機理及影響因素做了較為詳細的分析，模型運

13、動方程如下： 式中：m2：振動輪質(zhì)量；m1：振動輪框架質(zhì)量；k1：減震器剛度；c1：振動器阻尼；k2：被壓實材料剛度；c2：被壓實材料阻尼；F0：偏心軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力；Fs：振動輪對被壓實材料的作用力；E.T.seling和T.Syoo用振動壓路機試驗結(jié)果驗證了此模型，大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和研究工作都證實此模型的理論分析結(jié)果和實測結(jié)果是基本吻合的，可以真實反映“振動壓路機被壓材料”系統(tǒng)的實際動態(tài)響應。2.2 振動成型壓實機械結(jié)構(gòu)所用的振動成型壓實機由兩個在垂直平面上對稱布置的振動器施加振動力。振動器用兩個自位軸承把偏心塊支撐在振動軸的軸承上，通過偏心塊的高速旋轉(zhuǎn)對被壓材料施加呈正弦規(guī)律變化的激

14、振力。為了使激振力有級可調(diào)，把激振器的偏心塊設計成由固定偏心塊和活動偏心塊組成，通過花鍵齒調(diào)節(jié)活動偏心塊和固定偏心塊的相對夾角實現(xiàn)激振力的可調(diào)。花鍵齒分為4隔實現(xiàn)激振力在同一頻率下的四級可調(diào)。兩個振動器的偏心塊轉(zhuǎn)速相等但方向相反，當振動軸帶動偏心塊高速旋轉(zhuǎn)時，兩個偏心塊產(chǎn)生的離心力的水平分量相互抵消，垂直分量相互疊加，從而形成垂直方向的正弦激振力。使振動系統(tǒng)在理論上產(chǎn)生垂直振動，減少橫向力的剪切作用，保證壓實設備的穩(wěn)定性。振動成型壓路機基本按照振動壓路機的結(jié)構(gòu)模型設計，其壓實系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為上下兩部分，下車系統(tǒng)提供激振力和部分靜面壓力，上車系統(tǒng)提供另外一部分靜面壓力，振動成型壓實機的上下車重量

15、按照下車：整車0.6設計。用減震器把上下車系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來，減震器采用振動壓實平板夯所用的減震器，使上車系統(tǒng)模擬振動壓路機的機架對振動輪的束縛作用，同時通過上車的束縛作用使下車有規(guī)律地振動。由于振幅的影響因素主要是下車系統(tǒng)，而壓實的靜重是通過上下車的共同重量實現(xiàn)，這種設計還可以減小靜面壓力和振幅的相關(guān)性，實現(xiàn)靜面壓力和振幅的單因素可調(diào)。通過添加配重塊的方法實現(xiàn)上下車重量的調(diào)整。采用變頻器實現(xiàn)振動頻率的無級可調(diào)，根據(jù)市場上振動壓路機常用的頻率和材料固有的頻率范圍，選擇頻率范圍050Hz，同時為減少振動對電機和變頻系統(tǒng)的破壞作用及控制壓實系統(tǒng)的重量，使系統(tǒng)能夠模擬較小靜面壓力下的振動壓實狀況，在設計時

16、將電機和變頻系統(tǒng)移出，采用軟軸和萬向節(jié)傳動。使用手動葫蘆調(diào)節(jié)壓實系統(tǒng)行程。由于高頻振動對設備損傷較大，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設計的較小的13kPa的靜面壓力不容易實現(xiàn)。為此設備配有兩套加載系統(tǒng)，一套按照振動壓路機的數(shù)學模型設計，具有兩個振動器可以實現(xiàn)較大的靜面壓力和激振力。另一套只配有一個激振器，按照無人駕駛的振動壓路機設計，沒有上車系統(tǒng)約束，可以實現(xiàn)較小的靜面壓力和激振力。根據(jù)試驗目的，該設備配備了用于壓密和成型的兩套壓頭，以及用于上下車系統(tǒng)和單系統(tǒng)的各自的壓頭。2.3 振動壓實機械參數(shù)范圍 靜壓力范圍現(xiàn)有的大多數(shù)可用于路面、路基壓實的大中型振動壓路機的靜線壓力為300N/cm左右。用于路基壓實

17、的大中型壓路機的輪徑已趨于一致，一般在1500mm左右，滾輪接地面積可用b2Rsin計算，由此可計算出接地寬度b為。振動壓路機產(chǎn)生的接地壓力為140kPa左右。在公路土工試驗規(guī)程（JTG E40-2007）中通過應用表面振實儀法測粗粒土的最大干密度試驗所用的靜面壓力為13.8kPa，代表性的振動壓路機產(chǎn)生的接地靜面壓力為140kPa，為摸索出與現(xiàn)有振動壓路機的壓實效果相應的室內(nèi)試驗所用的靜面壓力，振動成型壓實機的靜面壓力實現(xiàn)在14kPa400kPa范圍可變。 振動頻率、振幅、激振力范圍根據(jù)振動壓實理論，每一種材料都有不同的自振頻率，激振頻率與自振頻率一致時可達到最好的壓實效果。振動壓路機設計頻

18、率一般比被壓材料的自振頻率的變化范圍大一些。目前市場上用于壓實的大中型振動壓路機的振動頻率的范圍是：壓實路基2530Hz，壓實底基層2540Hz，對壓實粒狀材料和結(jié)合料的穩(wěn)定基層為3355Hz。而且從常用的振動壓路機的參數(shù)來看，壓路機的常用振動頻率為30、35、40Hz等，最大為48Hz。因此，研究用振動設備振動頻率實現(xiàn)50Hz以內(nèi)可調(diào)。振幅直接影響壓實深度，同樣的振動質(zhì)量及振動頻率時，提高振幅可以增加壓實效果的影響深度。但振幅過高會對減震帶來困難。根據(jù)長期試驗及施工經(jīng)驗，結(jié)合施工要求及壓實對象，振動壓路機振幅選擇如下：壓實路基：1.42.0mm，壓實次基層：，對壓實粒狀料和結(jié)合料的穩(wěn)定基層取

19、振幅為0.40.8mm。振動壓路機常用振幅有、等。為能夠模擬常用振動壓路機的振幅，振動成型壓實機的振幅設計的可變范圍為0mm。激振力是影響壓實效果的主要參數(shù)之一。根據(jù)確定的靜面壓力和振幅范圍及頻率范圍可根據(jù)公式確定激振力范圍。激振力公式如下：其中m：下車系統(tǒng)質(zhì)量；：角頻率；A：振幅。振動壓實時間范圍振動壓實過程中，被壓材料顆粒由靜止的初壓狀態(tài)變化為運動狀態(tài)要有一個過程，過渡過程持續(xù)的時間與被壓材料顆粒的粘聚力和吸附力有關(guān)，也與振動壓路機的振動輪的線荷載有關(guān)，線荷載越大所需時間越短。如果振動壓實時間過長必然會導致混合料內(nèi)部分層，因此振動壓實存在一最佳壓實時間。振動壓實時，材料相鄰顆粒的質(zhì)量差別越

20、大，它們之間的粘結(jié)力越弱則其相對位移將越大。當用振動法壓實無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料時，在頗大程度上將出現(xiàn)混合料的觸變性質(zhì)，在振動開始時，混合料稀釋，其性質(zhì)近似于液體或半干狀材料，振動終了時，各顆粒間的粘結(jié)力被恢復。這樣，具有較大質(zhì)量的顆粒在振動時得到較大的慣性力，首先脫離相鄰的粒料向下運動。如果含有不同大小顆粒的材料進行長時間的振動，則有可能出現(xiàn)分層現(xiàn)象。因此振動時間應確定在材料具有最大密度和大顆粒之間的空隙由小顆粒填滿時結(jié)束。研究所用振動壓實成型機械時間范圍確定為015min。2.4 半剛性材料振動壓實參數(shù)半剛性材料振動成型參數(shù)為：振動頻率30Hz，偏心塊夾角30°，激振力7612N，靜

21、面壓力140kPa，振幅，振動總時間2min。圖1 振動成型壓實設備3 振動成型設計法科研成果（1）改變了傳統(tǒng)的重型擊實法及靜壓成型法，采用更能夠模擬現(xiàn)場壓實方式的振動法進行室內(nèi)試驗及檢測。改變成型方式進行半剛性材料設計并大規(guī)模應用于實際工程，在國內(nèi)外屬于首次。（2）采用振動成型方式設計的水泥穩(wěn)定級配碎石半剛性材料的級配組成與傳統(tǒng)設計結(jié)果相比有重大改進，主要表現(xiàn)為水泥劑量降低，同時強度提高、抗裂能力提高。與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，水泥劑量降低1.01.5，強度提高1.52倍，而且，在相同水泥劑量下，振動成型試件干縮抗裂系數(shù)是靜壓成型條件下的1.5倍，表明振動成型材料抗裂能力大幅度提高，（3）與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，設計的半剛性材料密度標準提高1.021.04倍。且實際工程經(jīng)驗表明，用傳統(tǒng)的碾壓方式，在不增加設備投資的情況下完全可以達到新的設計方法的壓實度要求。（4）提出了新的半剛性材料干縮試驗方法及評價指標。（5）以振動成型方式為試驗手段，以強度滿足要求、抗裂能力最佳為判據(jù)，提出了水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的配合比設計優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)果。（6）振動碾壓施作的基層芯樣無側(cè)限抗壓強度大于室內(nèi)靜壓法制作試件的無側(cè)限抗壓強度，而更接近于振動成型試件的無側(cè)限抗壓強度，由此表明，室內(nèi)用靜壓法試件強度控制現(xiàn)場施工質(zhì)量要求過高，導致水泥含量高、基層強度過高、抗裂能力差。而振動成型試件無側(cè)限抗壓